DE102022105050A1

DE102022105050A1 - Rotationssystem und elektrisches Antriebssystem

Info

Publication number: DE102022105050A1
Application number: DE102022105050.5A
Authority: DE
Inventors: Marco Krapf; Branko Katana
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2022-03-03
Filing date: 2022-03-03
Publication date: 2023-09-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Rotationssystem und elektrisches Antriebssystem, welches das Rotationssystem umfasst.Das Rotationssystem (1) umfasst ein feststehendes Maschinenelement (10) und ein in Bezug zum feststehenden Maschinenelement (10) drehbares Maschinenelement (20), sowie ein Dichtungselement (30), welches mit einem Dichtungskörper (32) an dem feststehenden Maschinenelement fixiert (10) ist und mit wenigstens einer Dichtlippe (33) an dem drehbaren Maschinenelement (20) anliegt.Mit dem hier vorgeschlagenen Rotationssystem sowie dem damit ausgestatteten elektrischen Antriebssystem werden Einrichtungen zur Verfügung gestellt, die eine ausreichende Abdichtung auch bei hohen Drehzahlen mit einer langen Lebensdauer und/oder Laufleistung gewährleisten.

Description

Die Erfindung betrifft ein Rotationssystem und elektrisches Antriebssystem, welches das Rotationssystem umfasst.
Der elektrische Antriebsstrang von elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen ist nach dem Stand der Technik bekannt. Dieser besteht aus Komponenten zur Energiespeicherung, Energiewandlung und Energieleitung. Zu den Komponenten der Energiewandlung gehören elektrische Rotationsmaschinen.
Insbesondere elektrische Rotationsmaschinen, die ihre Anwendung in elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen finden sollen, müssen mit einer sehr hohen Drehzahl betrieben werden können. Derzeitige Anforderungen umfassen einen zu realisierenden Drehzahl-Bereich beispielsweise von 600 - 2400 min^-1.
Gleichzeitig bestehen erhöhte Anforderungen hinsichtlich der ausreichenden Schmierung der rotierenden Komponenten, auch, um eine ausreichende Lebensdauer bzw. Laufleistung wie zum Beispiel bis zu 1,6 Millionen Kilometer zu gewährleisten. Entsprechend sind Dichtungssysteme einzusetzen, die einerseits die Rückhaltung von Schmiermittel und Abdichtung gegen das Eindringen von Fremdpartikeln, wie zum Beispiel Schmutz, gewährleisten, zudem aber auch geeignet sind, die hohen geforderten Drehzahlen zu ertragen.
Übliche Dichtungen stoßen dabei jedoch an ihre Grenzen, insbesondere aufgrund der hohen zu realisierenden Drehzahlen. Diese Drehzahlen bewirken hohe Zentrifugalkräfte auf bewegliche Bestandteile der Dichtungen, sodass ein Abheben einer jeweiligen Dichtung bzw. einer Dichtlippe von einem entsprechenden DichtungsPartner nicht auszuschließen ist, sodass einerseits Schmiermittel die Dichtung passieren kann und demzufolge sich verringern kann, andererseits aber auch Fremdpartikel in einen abzudichtenden Raum eindringen können.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Rotationssystem sowie ein damit ausgestattetes elektrisches Antriebssystem zur Verfügung zu stellen, die eine ausreichende Abdichtung auch bei hohen Drehzahlen mit einer langen Lebensdauer und/oder Laufleistung gewährleisten.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das Rotationssystem gemäß Anspruch 1 sowie durch das elektrische Antriebssystem gemäß Anspruch 9. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Rotationssystems sind in den Unteransprüchen 2 bis 7 angegeben. Eine vorteilhafte Ausführungsform des elektrischen Antriebssystems ist in Unteranspruch 10 angegeben.
Die Merkmale der Ansprüche können in jeglicher technisch sinnvollen Art und Weise kombiniert werden, wobei hierzu auch die Erläuterungen aus der nachfolgenden Beschreibung sowie Merkmale aus den Figuren hinzugezogen werden können, die ergänzende Ausgestaltungen der Erfindung umfassen.
Die Begriffe „radial“ und „axial“ beziehen sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung immer auf die Rotationsachse des Rotationssystems.
Die Erfindung betrifft ein Rotationssystem, welches ein feststehendes Maschinenelement und ein in Bezug zum feststehenden Maschinenelement drehbares Maschinenelement, sowie ein Dichtungselement umfasst, dass mit einem Dichtungskörper an dem feststehenden Maschinenelement fixiert ist und mit wenigstens einer Dichtlippe an dem drehbaren Maschinenelement anliegt.
Das feststehende Maschinenelement kann insbesondere ein Stator einer elektrischen Rotationsmaschine sein, oder fest mit diesem Stator verbunden sein. Das drehbare Maschinenelement wiederum kann ein Rotor der elektrischen Rotationsmaschine sein, oder fest mit diesem verbunden sein.
Der Dichtungskörper kann aus einem Elastomer gefertigt sein, und die Dichtlippe kann ein integraler Bestandteil des ausgebildeten Elastomer-Körpers sein.
Die Fixierung des Dichtungskörpers kann mittels einer stoffschlüssigen Verbindung und/oder mittels einer formschlüssigen Verbindung oder auch kraftschlüssigen Verbindung am feststehenden Maschinenelement realisiert sein.
Die Dichtlippe ist als ein im Querschnitt länglicher Vorsprung ausgebildet.
Durch die Anordnung der Dichtlippe am feststehenden Maschinenelement ist die Dichtlippe keinen Zentrifugalkräften bei Rotation des Rotationssystems ausgesetzt, sodass eine ständige Dichtwirkung an dem drehbaren Maschinenelement gewährleistet ist.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Dichtungselement ein Axialdichtungselement ist, wobei sich die Dichtlippe mit zumindest einer Komponente ihrer Längserstreckungsrichtung in axialer Richtung erstreckt. Entsprechend ist das Dichtungselement zur Ausbildung einer Axialdichtung ausgeführt.
Die Dichtlippe erstreckt zumindest bereichsweise im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse des Rotationssystems.
Insbesondere kann dabei die Dichtlippe am Dichtungskörper in einem Anschlussbereich angeschlossen sein, wobei ein axialer Abstand zwischen dem Anschlussbereich und einer axial gegenüberliegenden, vom drehbaren Maschinenelement ausgebildeten Anlagefläche geringer ist als die Länge der Dichtlippe, sodass die Dichtlippe in einem durch die Rotationsachse des Rotationssystems verlaufenden Querschnitt einen nicht-parallelen Verlauf in Bezug zur Rotationsachse aufweist.
Der Anschlussbereich kann dabei die Wirkung einer festen Einspannung auf die Dichtlippe haben. Die Anlagefläche bildet einen Dichtungspartner für die Dichtlippe aus, die an der Anlagefläche mit einer Andruckkraft anliegt.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass die Dichtlippe einen gebogenen und/oder gekrümmten Verlauf aufweist. Das bedeutet, dass die Dichtlippe aufgrund des geringeren Abstandes zwischen dem Anschlussbereich und der Anlagefläche gebogen und/oder gestaucht ist und entsprechend eine elastische Rückstellkraft als Andruckkraft auf die Anlagefläche zwecks Abdichtung bewirkt.
Dabei kann ein Berührungspunkt, an dem die Dichtlippe in einem durch die Rotationsachse des Rotationssystems verlaufenden Querschnitt an der Anlagefläche des drehbaren Maschinenelements anliegt, radial weiter außen liegen als der Anschlussbereich der Dichtlippe am Dichtungskörper. Das bedeutet, dass sich die Dichtlippe in ihrem Verlauf, ausgehend vom Dichtungskörper, axial sowie nach radial außen erstreckt.
Dabei kann beispielsweise das rotierende Bauteil radial weiter außen angeordnet sein als das statische Bauteil, so dass zum Beispiel bei Integration in eine elektrische Rotationsmaschine vorgesehen ist, dass der Rotor in Bezug zum Stator radial außen sitzt und derart eine Außenläufermaschine zur Verfügung gestellt wird.
Hinsichtlich der Materialauswahl kann das Rotationssystem derart ausgeführt sein, dass die Dichtlippe zumindest bereichsweise aus einem Elastomer gefertigt ist, und/ oder dass die Anlagefläche zumindest bereichsweise aus Stahl gefertigt ist. Mit der Materialauswahl lässt sich ein geringes Reibmoment zwischen der Dichtlippe und der Anlagefläche realisieren, auch bei hohen Temperaturen im Rotationssystem.
Die Anlagefläche kann dabei insbesondere aus einem Edelstahl gefertigt sein, wobei die Anlagefläche durch ein Blechteil, welches gegebenenfalls gekrümmt ausgeführt sein kann, ausgebildet sein kann.
Weiterhin kann das Dichtungselement in einem durch die Rotationsachse des Rotationssystems verlaufenden Querschnitt einen Vorsprung aufweisen, der axial kürzer ist als die Dichtlippe. Auch der Vorsprung kann mit zumindest einer Komponente seiner Längserstreckung parallel zur Rotationsachse verlaufen.
Der Vorsprung kann auch als kurze Dichtlippe bezeichnet werden. Der Vorsprung liegt nicht an dem rotierenden Maschinenelement an. Der Vorsprung bildet somit eine äußerste Lippe zur Ausbildung einer sogenannten Vorkammer aus; bzw. zur Ausbildung einer Auffangrinne für flüssige Medien, wie z.B. Kondenswasser.
Zudem kann das Rotationssystem des Weiteren eine rotierende Lippe umfassen, die an dem drehbaren Maschinenelement angeordnet ist und an dem feststehenden Maschinenelement oder dem Dichtungselement dichtend zur Anlage gebracht ist. Diese weitere, rotierende Lippe ist zumindest mittelbar an dem drehbaren Maschinenelement befestigt. Die rotierende Lippe dient insbesondere der Rückhaltung von höherviskosen Schmierstoffen, wie zum Beispiel Fett, aus einer vom Dichtungssystem ausgebildeten Fettkammer. Bei einer Anordnung des drehbaren Maschinenelements radial weiter außen als das feststehende Maschinenelement ist diese weitere Lippe in einer Ausführungsform des Rotationssystems radial weiter innen angeordnet als die Dichtlippe. Insbesondere kann diese weitere Lippe ein integraler Bestandteil eines Elastomer-Teils sein, welches ein Blechteil fixiert, das die Anlagefläche ausbildet, und sich nach radial innen in Richtung auf ein Halteelement erstrecken, an dem der Dichtungskörper fixiert ist. Die rotierende Lippe dient insbesondere zur Zurückhaltung von Schmiermittel, wie zum Beispiel Fett, im Rotationssystem, insbesondere in einem in der Umgebung des Dichtungselements angeordneten Rotationslager.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein elektrisches Antriebssystem, welches ein erfindungsgemäßes Rotationssystem umfasst, wobei das elektrische Antriebssystem dazu eingerichtet ist, das drehbare Maschinenelement des Rotationssystems mit einer Drehzahl von mindestens 2400 min^-1 zu drehen.
Weitere Bestandteile des elektrischen Antriebssystems können ein Stator und ein Rotor sein, wobei der Stator das feststehende Maschinenelement ausbildet oder mit diesem fest verbunden ist, und der Rotor das drehbare Maschinenelement ausbildet oder fest mit diesem verbunden ist.
Weiterhin kann das elektrische Antriebssystem eine Kupplung aufweisen, wobei das Dichtungselement dazu eingerichtet ist, gegenüber vom im Betrieb der Kupplung entstehendem Abrieb eine Abdichtung zu realisieren. Derart wird erreicht, dass Abrieb der Kupplung nicht an ein vom Dichtungselement abgedichtetes Rotationslager gelangen kann.
Die oben beschriebene Erfindung wird nachfolgend vor dem betreffenden technischen Hintergrund unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen, welche bevorzugte Ausgestaltungen zeigen, detailliert erläutert. Die Erfindung wird durch die rein schematischen Zeichnungen in keiner Weise beschränkt, wobei anzumerken ist, dass die in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispiele nicht auf die dargestellten Maße eingeschränkt sind. Es ist dargestellt in

1: ein Ausschnitt aus dem erfindungsgemäßen Rotationssystem einer ersten Ausführungsform,
2: ein Ausschnitt aus dem erfindungsgemäßen Rotationssystem einer zweiten Ausführungsform, und
3: ein Teilschnitt durch ein erfindungsgemäßes elektrisches Antriebssystem.

Zunächst wird der allgemeine Aufbau des erfindungsgemäßen Rotationssystems anhand von 1 erläutert. Das Rotationssystem 1 umfasst ein feststehendes Maschinenelement 10, welches zum Beispiel durch einen Stator 50 einer elektrischen Rotationsmaschine, wie in 3 ersichtlich, ausgebildet sein kann.
Des Weiteren umfasst das Rotationssystem 1 ein drehbares Maschinenelement 20, welches um eine Rotationsachse 2 drehbar ist, und welches zum Beispiel durch einen Rotor 53 einer elektrischen Rotationsmaschine 1, wie in 3 ersichtlich, ausgebildet sein kann. Am drehbaren Maschinenelement 20 ist ein abgewinkeltes Blechteil 21 angeordnet, welches am drehbaren Maschinenelement 20 mittels eines Elastomer-Teils 23 fixiert ist. Am feststehenden Maschinenelement 10 ist ein Halteelement 31 in Form eines im Querschnitt winkelförmigen Teils fixiert, an dem wiederum ein Dichtungskörper 32 des Dichtungselements 30 fest angeordnet ist.
Am Dichtungskörper 32 ist ausgehend von einem Anschlussbereich 34 eine im Wesentlichen axial vorstehende Dichtlippe 33 ausgeführt, die sich bis zum Blechteil 21 am drehbaren Maschinenelement 20 erstreckt und dort in einem Berührungspunkt 35 anliegt und eine Andruckkraft 36 auf eine vom Blechteil 21 ausgebildete Anlagefläche 22 ausübt. Der axiale Abstand 37 zwischen der Anlagefläche 22 und dem Anschlussbereich 34 ist geringer als die Länge der Dichtlippe 33, sodass diese, wie dargestellt, gebogen ist und aufgrund ihrer Elastizität die Andruckkraft 36 an der Anlagefläche 22 bewirkt. Aufgrund dessen, dass das Dichtungselement 30 bzw. dessen Dichtlippe 33 nicht rotieren, ist die Dichtlippe 33 keiner Zentrifugalkraft ausgesetzt, sodass sie ständig und Drehzahl-unabhängig die Andruckkraft 36 realisieren kann.
Des Weiteren umfasst das dargestellte Rotationssystem 1 als integralen Bestandteil des Elastomer-Teils 23 am drehbaren Maschinenelement 20 eine rotierende Lippe 24, die am feststehenden Maschinenelement 10 ebenfalls eine Dichtwirkung realisiert.
In der in 3 dargestellten Ausführungsform liegt dabei die rotierende Lippe 24 unmittelbar an einer radialen Außenseite des feststehenden Maschinenelement 10 an. In der in 2 dargestellten Ausführungsform liegt die rotierende Lippe 24 an der radialen Außenseite des Halteelements 31 an. Diese Ausführungsform bewirkt, dass das gesamte Dichtungselement 30 zusammen mit dem Blechteil 21 sowie gegebenenfalls auch mit dem Elastomer-Teil 23 als eine komplette und kompakte Kassette zur Verfügung gestellt werden kann, die in einfacher Weise in einem Rotationssystem integriert werden kann.
Aufgrund der wesentlichen radialen Ausrichtung der rotierenden Lippe 24 wirken sich Zentrifugalkräfte nicht derart auf die rotierenden Lippe 24 aus, dass diese sich nach radial außen wegbewegt. Die rotierende Lippe 24 sorgt unter anderem dafür, dass ein hochviskoses Schmiermittel, welches in der sogenannten Fettkammer 40 aufgenommen ist, nicht nach außen dringt.
Des Weiteren umfasst das Dichtungselement 30 einen Vorsprung 38, der ebenfalls die Form einer Lippe ausführt, die jedoch nicht am Blechteil 21 bzw. dessen Anlagefläche 22 zur Anlage gelangt. Dieser Vorsprung 38 dient insbesondere zur Ausbildung einer sogenannten Vorkammer 39, die dazu eingerichtet ist, Medien, wie zum Beispiel Flüssigkeiten, in etwa Kondenswasser, abzufangen.
In 3 ist in einem Teilschnitt die Integration des erfindungsgemäßen Rotationssystems 1 in ein erfindungsgemäßes elektrisches Antriebssystem dargestellt. Hier ist ein Stator 50 ersichtlich, der das feststehende Maschinenelement 10 ausbildet. Auf dem Stator 50 ist ein Blechträger 51 angeordnet, auf dem wiederum ein Wälzlager 52 angeordnet ist. Das Wälzlager 52 trägt einen Rotor 53, der das drehbare Maschinenelement 20 ausbildet. Des Weiteren ist deutlich die Wicklung 54 des Rotors 53 erkennbar. Axial neben dem Wälzlager 52 ist das Dichtungselement 30 angeordnet, hier nur schematisch dargestellt. Auf der hier dargestellten rechten Seite ist eine Kupplung 60 vorgesehen. Die hier dargestellte linke Seite ist die Anschlussseite einer Verbrennungskraftmaschine 62.
Der Stator 50 ist fest in einem Gehäuse 64 aufgenommen. Die Drehbewegung des Rotors 53 wird mittels eines Drehmomentübertragungssteiles 63 übertragen.
Das Dichtungselement 30 verhindert unter anderem, dass hier schematisch dargestellte Schmutzpartikel 61, die zum Beispiel durch Abrieb von der Kupplung entstehen oder auch von Schmutzwasser transportiert werden, in der elektrischen Antriebseinrichtung verteilt werden.
Mit dem hier vorgeschlagenen Rotationssystem sowie dem damit ausgestatteten elektrischen Antriebssystem werden Einrichtungen zur Verfügung gestellt, die eine ausreichende Abdichtung auch bei hohen Drehzahlen mit einer langen Lebensdauer und/oder Laufleistung gewährleisten.
Bezugszeichenliste

1: Rotationssystem
2: Rotationsachse
10: feststehendes Maschinenelement
20: drehbares Maschinenelement
21: Blechteil
22: Anlagefläche
23: Elastomer-Teil
24: rotierende Lippe
30: Dichtungselement
31: Halteelement
32: Dichtungskörper
33: Dichtlippe
34: Anschlussbereich
35: Berührungspunkt
36: Andruckkraft
37: axialer Abstand
38: Vorsprung
39: Vorkammer
40: Fettkammer
50: Stator
51: Blechträger
52: Wälzlager
53: Rotor
54: Wicklung
60: Kupplung
61: Schmutzpartikel
62: Anschlussseite einer Verbrennungskraftmaschine
63: Drehmomentübertragungsteil
64: Gehäuse

Claims

Rotationssystem (1), umfassend ein feststehendes Maschinenelement (10) und ein in Bezug zum feststehenden Maschinenelement (10) drehbares Maschinenelement (20), sowie ein Dichtungselement (30), welches mit einem Dichtungskörper (32) an dem feststehenden Maschinenelement fixiert (10) ist und mit wenigstens einer Dichtlippe (33) an dem drehbaren Maschinenelement (20) anliegt.
Rotationssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungselement (30) ein Axialdichtungselement ist, wobei sich die Dichtlippe (33) mit zumindest einer Komponente ihrer Längserstreckungsrichtung in axialer Richtung erstreckt.
Rotationssystem nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtlippe (33) am Dichtungskörper (32) in einem Anschlussbereich (34) angeschlossen ist, wobei ein axialer Abstand (37) zwischen dem Anschlussbereich (34) und einer axial gegenüberliegenden, vom drehbaren Maschinenelement (20) ausgebildeten Anlagefläche (22) geringer ist als die Länge der Dichtlippe (33), sodass die Dichtlippe (33) in einem durch die Rotationsachse (2) des Rotationssystems (1) verlaufenden Querschnitt einen nicht-parallelen Verlauf in Bezug zur Rotationsachse (2) aufweist.
Rotationssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtlippe (33) einen gebogenen und/oder gekrümmten Verlauf aufweist.
Rotationssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Berührungspunkt (35), an dem die Dichtlippe (33) in einem durch die Rotationsachse (2) des Rotationssystems (1) verlaufenden Querschnitt an der Anlagefläche (22) des drehbaren Maschinenelements (20) anliegt, radial weiter außen ist als der Anschlussbereich (34) der Dichtlippe (33) am Dichtungskörper (32).
Rotationssystem nach einem der Ansprüche 3-5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtlippe (33) zumindest bereichsweise aus einem Elastomer gefertigt ist, und/ oder dass die Anlagefläche (22) zumindest bereichsweise aus Stahl gefertigt ist.
Rotationssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungselement (30) in einem durch die Rotationsachse (2) des Rotationssystems (1) verlaufenden Querschnitt einen Vorsprung (38) aufweist, der axial kürzer ist als die Dichtlippe (33).
Rotationssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotationssystem (1) des Weiteren eine rotierende Lippe (24) umfasst, die an dem drehbaren Maschinenelement (20) angeordnet ist und an dem feststehenden Maschinenelement (10) oder dem Dichtungselement (30) dichtend zur Anlage gebracht ist.
Elektrisches Antriebssystem, umfassend das Rotationssystem (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das elektrische Antriebssystem dazu eingerichtet ist, das drehbare Maschinenelement (20) mit einer Drehzahl von mindestens 2400 min^-1 zu drehen.
Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Antriebssystem eine Kupplung (60) aufweist, wobei das Dichtungselement (30) dazu eingerichtet ist, gegenüber vom im Betrieb der Kupplung (60) entstehendem Abrieb eine Abdichtung zu realisieren.